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1、 平面不规则隔震结构的弹塑性时程分析 第一章绪论1.1 引言从古至今，地震对人类的迫害一直都非常严重。我国因处在几个 地震带上，使我国成为地震发生极多的国家。地震的发生也给我们 国家带来了很多的灾害。据不完全统计，在之前的一百年里，全球 大陆发生的七级以上的地震中，大约有 35%的地震发生在我国。 在历史上我国曾有二十几个城市在地震中毁灭，其中包括唐山、泣 川、玉树等城市，受伤和死亡的人数众多，造成的经济损失也很大。 1978 年，我国的河北唐山发生了 7.8 级的强烈地震图 1.1),使这个有 百年历史和百万人口的城市毁于一旦，24 万多人失去生命，8 千多 个家庭断门绝户，有三万平方公里的
2、地区受到了地震的破坏，这次 的地震是我国乃至世界上都少见的一次大地震。2008 年我国汶川县 发生了 8.0 级地震图 1.2)，有 13 万多平方公里的地区受到灾害，近 9 万人失踪或死亡 2010 年的玉树地震如图 1.3 所示，7.1 级地震，被 评选为该年全球十大地震之一，此次地震造成 2000 多人遇难，近 90%的房屋倒塌或受损，带来了超过 3 亿的财产损失4。地震的发 生往往造成很大的迫害以及损失。主要是因为地震发生时，大量的 地震能量释放出来，使建房屋等各种建筑物发生破坏，甚至倒塌。 在世界上所发生的地震中，有文献统计显示，因为建筑物破坏造成 的伤亡高达 90%-95%。以此，
3、要降低地震发生引起的灾害，就必须 提高结构的抗震能力，这才是关键问题5。.1.2 结构隔震技术传统的结构设计都是增加结构的刚度或者强度，以及保证结构的 延性，以此来达到抗震的要求，应对地震的发生。对结构设计的进 展主要可以归纳为三个阶段：刚性结构体系、柔性结构体系以及延 性结构体系，延性结构体系中结钩构件在地震作用下会发生塑性变 形，从而吸收地震能量。这种体系是目前为止各个国家都广泛采用 的。然而，实际上，地震中的地震波总是随机发生的，另外，在实 际的工程中，结构发生的塑性破坏也是很复杂的，研究人员很难对 结构的破坏程度做出准确的估计。其次，对于一些重要的建筑结构， 需要保证结构在地震中能够绝
4、对的安全，不允许这些结构的构件进 入弹塑性状态，故而，对结构的抗震性能就有了更高的设计要求。由于传统的抗震结构设计方法存在着上述的不足与缺点，研究人员 提出了新的抵抗地震作用的结构设计理论：工程减隔震控制技术。 减震控制技术就是在结构的抗侧力构件中加入阻尼器，通过阻尼器 的变形来吸收和耗散地震能量。隔震技术通过隔震层的变形来吸收 地震能量，从而隔离地震力。隔震技术是在结构中加入的像胶塾、 阻尼器等隔震装置组成隔震层，通过隔震层的变形来吸收地震能量， 从而隔离了地震力，使传至上部结构的地震力大大减少，以此来提 高结构的抗震性能。将隔震装置安装在结构的层与层之间时，被称 为层间隔震技术。将隔震装置
5、安装在基础之上，结构以下时，被称 为基础隔震技术。隔震层一般主要是由隔震支座组成的。有些时候 还会加入阻尼器，提高隔震装置的阻尼来耗散地震能量，以提高隔 震的效果。目前釆用最多的隔震塾是橡胶隔震支座7。橡胶隔震支 座根据具体的使用要求仍可以进行分类，具体在后续章节中介绍。第二章隔震结构体系概述2.1 隔震结构体系的概念及分类隔震技术就是在结构的层与层之间安装隔震装置，以隔震层为界， 将结构的上部与下部隔离，很大一部分的地震能量被隔震层吸收， 传递到上部结构的地震力大为减少，以此来达到隔震地震作用的效 果。隔震体系一般可按照隔震装置的不同进行分类，有叠层橡胶隔 震支座、摩擦滑动、滚动隔震装置等。
6、在这几种隔震装置中，橡胶 隔震支座是最为普遍使用的，在所有此类结构中大约占有 90%之多 7。天然橡胶支座如图 2. 1、2.2 所示）是由连接钢板、橡胶层和夹 层钢板组成，连接钢板就是用来连接隔震支座与上下部结构，樣胶 层与钢板分层布置形成隔震支座，起到隔震的作用。在天然樣胶支 座的中间插入铅芯之后，可以提高棵胶支座的阻尼，就是铅芯橡胶 支座如图 2.3 所示）。在天然橡胶中加入一些外加剂，以达到增强 其阻尼的效果，这种支座被称为高阻尼橡胶支座。隔震装置可以安 排在结构中不同的地方。把隔震装置放置于结构的底部的时候，就 是基础隔震。把隔震装置放置与结构层与层之间为层间隔震。2.2 隔震体系的
7、工作机理对于隔震体系的工作的原理一般从以下几个方面来考虑9:隔震支座首先要具有一个比较大的且合理的竖向刚度。其竖向刚度要能 够承担隔震层以上的所有重量及荷载。另外，还要能使隔震体系的 竖向自振周期与上部结构的自振周期以及场地的特征周期有所差距， 以减小传递到上部结构的竖向地震作用。通常隔震支座的水平刚度 要比其以上部分的水平刚度小。在地震作用下，使得变形就发生在 隔震层，上部结构的震动就会变得缓慢且接近与整体的平动，其周 期变得缓慢，也就减小了上部结构的地震反应。隔震支座的具有很 强的水平恢复力，在变形之后能很快恢复到原位，使结构在地震后 仍能正常使用。隔震结构中，隔震层以上的刚度要比隔震层的
8、大很 多。在地震力作用下，上部结构的振动几乎为平动，故而可以近似 地把隔震层以上的结构简化成一个质点图 2.4 所示)，隔震装置的刚 度可近似代表整个隔震结构的刚度，结构的阻尼也釆用隔震装置的 阻尼，此类型的分析模型主要用来研究隔震层的动力反应。天然橡 胶支座的水平力和变形的关系常为线性，铅芯橡胶支座就需要进行 非线性恢复力特性的模型化，常用的模型有等效线性模型、双线性 模型、Wen-Bone 滞回模型、三线性模型、滑动摩擦型等。SAP2000 中通过非线性连接单元橡胶隔震器来模拟橡胶支座_。该连接单元是 一个双轴的滞回隔振器图 2.8)，在两个剪切变形自由度可以定义为 非线性，其他四个自由度
9、都是线性的。第三章考虑楼板配筋影响的小跨结构173.1 引言173.2 案例模型概述173.3 基于 SAP2000 的分析模型183.4 基于 SAP2000 的弹塑性分析233.5 本章小结30第四章平面不规则隔震结构的弹塑性时程分析314.1 引言314.2 工程实例概述314.3 平面不规则隔震结构模型的建立344.4 基于 SAP2000 的弹塑性分析384.5 本章小结83第五章结论与展望845.1 结论845.2 展望85第四章平面不规则隔震结构的弹塑性时程分析4.1 引言本章依据某采用隔震的 L 形工程实例建立有限元分析模型，包括 上部结构及隔震层，上部结构按实际截面及配筋考虑
10、其弹塑性，楼 板采用分层壳单元进行模拟，计入楼板配筋的影响，对结构进行动 力弹性、弹塑性时程分析。论文所依托的工程项目为云南航天工业 有限公司云南公司应急救援车辆及装备生产能力建设项目 F 栋科研 协作综合楼以下简称综合楼），该工程项目的效果图及标准层建筑 平面图如图 4.1、4. 2 所示。综合楼建筑地上为 10 层，地下 1 层， 设一层隔震层，上部结构高度为 32.細，属于高层混凝土框架结构。 标准层长 54. 9m,宽 45.9ra，横向平面四进尺寸为 36. 3ni，纵向平面 四进尺寸为 27. 3in，均大于相应边长的 30%，由抗震规范可知该项 目属于平面不规则结构。本文采用 S
11、AP2000 对上部结构和隔震层进 行模拟分析。梁、柱、楼板单元的配筋按照 SATWE 计算得到的结 构施工图输入，结构构件的模拟如第三章所述，考虑楼板配筋的影 响。首先建立与 SATWE 对上部结构进行简化设计时相同的分析模 型(如图 4. 3 所示），将隔震支座近似考虑为柱底绞接，定义该分析 模型为简化模型。结论通过本文的研究分析得到以下主要结论：(1)对于小跨框架结构，现行规范中建议的梁刚度放大系数可能 偏小；在强震作用下，楼板配筋对框架结构的塑性铰分布模式和抗 震性能均有较大影响，总体不利；工程抗震分析和研究中应根据实 际情况考虑楼板配筋的影响；在框架梁的配筋设计中应避免较计算 结果超
12、配筋现象，可能情况下可进行适当折减。(2)隔震后，结构各楼层的剪力系数随着楼层的增加均勾增大， 且增幅较小，平均不超过 10%;在小震、中震、大震作用下结构顶层 加速度峰值分别为输入地震波峰值的 64%、43%、38%,随着地震强 度的增加，减震效果提高。(3)隔震后，结构在中震作用下层间位移角最大值为 1/558，未出现塑性较，处于弹性状态，在大震作用下层间位移角最大值为 1/216,上 部结构包括隔震层的部分构件进入塑性屈服状态，塑性铰主要集中 在吸收地震力较多的边框架梁端，设计中应对其加强，在隔震层的 设计中应对梁的刚度和配筋同时进行放大。(4)大震作用下，依据上部结构简化方法设计的简化模型与考虑 隔震支座的真实模型相比，层间剪力、除隔震层外的层间位移以及 顶层加速峰值均为隔震模型的 2.2 倍左右，并随着楼层的增加结构 响应增大；简化模型中的塑性铰较隔震模型明显增多，塑性程度高， 且有柱破坏的现象，隔震模型的上部结构基本保持完好，仅部分构 件进入塑性，说明对于平面不规则隔震结构，现行的上部结构简化 设计方法较为安全，且有很大的安全储备空间，可对上部结构进行 简化设计。
